KR20200028015A - Semiconductor power device - Google Patents

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Abstract

반도체 전력 소자는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 위에 형성되는 MOSFET 영역-여기서, 상기 MOSFET 영역은 적어도 하나의 MOSFET 셀을 포함함-; 및 상기 반도체 기판에 위치하는 적어도 하나의 콜렉터영역-여기서, 상기 콜렉터영역과 상기 MOSFET 셀은 절연 게이트 양극성 트랜지스터를 형성함-; 을 포함한다.The semiconductor power device includes a semiconductor substrate; A MOSFET region formed on the semiconductor substrate, wherein the MOSFET region includes at least one MOSFET cell; And at least one collector region located on the semiconductor substrate, wherein the collector region and the MOSFET cell form an insulated gate bipolar transistor. It includes.

Description

반도체 전력 소자Semiconductor power device

본 발명은 반도체 소자 기술분야에 관한 것으로서, 예를 들면, 반도체 전력 소자에 관한 것이다.The present invention relates to the field of semiconductor device technology, for example, to a semiconductor power device.

반도체 전력 소자는 수평 확산형 금속산화물 반도체(Metal Oxide Semiconductor, MOS) 트랜지스터 및 트렌치형 MOS 트랜지스터 등 유형을 포함한다. 트렌치형 MOS 트랜지스터는 수직 전류채널 구조를 사용한 관계로, 트렌치형 MOS 트랜지스터의 면적이 수평 확산형 MOS 트랜지스터의 면적보다 많이 작을 수 있어 트렌치형 MOS 트랜지스터의 전류밀도가 증가될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 관련기술의 트렌치형 MOS 트랜지스터의 단면 구조는, 반도체 기판 바닥부에 위치하는 드레인영역(50); 반도체 기판 상단부에 위치하는 소스영역(53)과 바디영역(52); 바디영역(52)과 드레인영역(50) 사이에 위치하는 드리프트영역(51); 바디영역(52) 내에 위치하되 소스영역(53)과 드리프트영역(51) 사이에 위치하는 전류채널; 및 상기 전류채널의 온(ON)/오프(OFF)를 제어하고, 반도체 기판 내로 함몰된 게이트 트렌치에 위치하며, 게이트 유전체층(54)과 게이트(55)를 포함하는 게이트 구조; 를 포함한다. 관련기술의 반도체 전력 소자가 온 될 경우, 소스영역(53)과 드레인영역(50) 사이에 전자(또는 정공) 캐리어 전류가 형성되고, 이러한 단일 캐리어의 출력 전류밀도는 더이상 지속적으로 증가하기 어렵다. 반도체 집적회로 기술의 지속적인 발전에 따라, 반도체 전력 소자의 출력 전류밀도를 향상하는 방법은 해당 분야의 당업자들이 해결하여야 할 과제로 되었다. Semiconductor power devices include horizontal diffusion type metal oxide semiconductor (MOS) transistors and trench type MOS transistors. Since the trench type MOS transistor uses a vertical current channel structure, the area of the trench type MOS transistor may be much smaller than that of the horizontal diffusion type MOS transistor, so that the current density of the trench type MOS transistor can be increased. As shown in FIG. 1, a cross-sectional structure of a trench MOS transistor of related art includes: a drain region 50 positioned at the bottom of a semiconductor substrate; A source region 53 and a body region 52 positioned on an upper portion of the semiconductor substrate; A drift region 51 positioned between the body region 52 and the drain region 50; A current channel located in the body region 52 but between the source region 53 and the drift region 51; And a gate structure including on / off (OFF) of the current channel, located in a gate trench recessed into the semiconductor substrate, and including a gate dielectric layer 54 and a gate 55; It includes. When the semiconductor power device of the related art is turned on, an electron (or hole) carrier current is formed between the source region 53 and the drain region 50, and the output current density of such a single carrier is no longer continuously increased. With the continuous development of semiconductor integrated circuit technology, a method of improving the output current density of a semiconductor power device has become a problem to be solved by those skilled in the art.

본 발명은 반도체 전력 소자를 제공하여, 관련기술에서 반도체 전력 소자의 출력 전류밀도를 향상시키는 기술적 과제를 해결하려는데 그 목적이 있다.The present invention aims to solve the technical problem of providing a semiconductor power device and improving the output current density of the semiconductor power device in the related art.

반도체 전력 소자는 반도체 기판; 상기 반도체 기판 위에 형성되는 금속산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET) 영역-여기서, 상기 MOSFET 영역은 적어도 하나의 MOSFET 셀을 포함함-; 및 상기 반도체 기판에 위치하는 적어도 하나의 콜렉터영역-여기서, 상기 콜렉터영역과 상기 MOSFET 셀은 절연 게이트 양극성 트랜지스터를 형성함-; 을 포함한다.The semiconductor power device includes a semiconductor substrate; A metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) region formed on the semiconductor substrate, wherein the MOSFET region includes at least one MOSFET cell; And at least one collector region located on the semiconductor substrate, wherein the collector region and the MOSFET cell form an insulated gate bipolar transistor. It includes.

일실시예에서, 상기 콜렉터영역은 상기 MOSFET 영역을 둘러싸거나, 상기 콜렉터영역은 상기 MOSFET 영역의 일측 또는 양측에 위치한다.In one embodiment, the collector region surrounds the MOSFET region, or the collector region is located on one side or both sides of the MOSFET region.

일실시예에서, 상기 콜렉터영역과 상기 MOSFET 영역 사이에는 분압 구조가 배치되고, 상기 분압 구조는 필드플레이트, 필드 리미팅 링 및 다결정 실리콘이 충진된 트렌치 구조 중의 하나이다.In one embodiment, a partial pressure structure is disposed between the collector region and the MOSFET region, and the partial pressure structure is one of a trench structure filled with a field plate, a field limiting ring, and polycrystalline silicon.

일실시예에서, 상기 MOSFET 셀은, 상기 반도체 기판의 바닥부에 위치하는 제1 전도형의 드레인영역-여기서, 상기 드레인영역은 상기 반도체 기판의 바닥부로부터 유도되어 드레인 전압과 연결됨-; 상기 반도체 기판에 위치하는 제1 전도형의 소스영역과 제2 전도형의 바디영역-여기서, 상기 소스영역과 상기 바디영역은 상기 반도체 기판의 상단부로부터 유도되어 소스 전압과 연결됨-; 상기 반도체 기판에 위치하되 상기 드레인영역과 상기 바디영역 사이에 위치하는 제1 전도형의 드리프트영역; 상기 바디영역 내에 위치하되 상기 소스영역과 상기 드리프트영역 사이에 위치하는 전류채널; 및 상기 전류채널의 온/오프를 제어하는 게이트 구조; 를 포함한다.In one embodiment, the MOSFET cell is a drain region of a first conductivity type located at the bottom of the semiconductor substrate, wherein the drain region is derived from the bottom of the semiconductor substrate and connected to a drain voltage; A source region of a first conductivity type and a body region of a second conductivity type located on the semiconductor substrate, wherein the source region and the body region are derived from an upper end of the semiconductor substrate and connected to a source voltage; A first conductive type drift region located on the semiconductor substrate but between the drain region and the body region; A current channel located in the body region but between the source region and the drift region; And a gate structure that controls on / off of the current channel. It includes.

일실시예에서, 상기 콜렉터영역은 제2 전도형을 구비하며, 상기 제1 전도형은 n형이고 상기 제2 전도형은 p형이며, 상기 콜렉터영역, 상기 드리프트영역, 상기 바디영역 및 상기 소스영역 사이는 p-n-p-n 구조를 형성한다.In one embodiment, the collector region has a second conductivity type, the first conductivity type is n-type, and the second conductivity type is p-type, and the collector region, the drift region, the body region, and the source. Between regions, a pnpn structure is formed.

일실시예에서, 상기 콜렉터영역은 상기 반도체 기판의 상단부에 위치하고, 상기 콜렉터영역은 상기 반도체 기판의 상단부로부터 유도되어 콜렉터 전압과 연결된다.In one embodiment, the collector region is located at the upper end of the semiconductor substrate, and the collector region is derived from the upper end of the semiconductor substrate and connected to the collector voltage.

일실시예에서, 상기 콜렉터영역은 상기 드레인영역 위에 위치하고, 상기 콜렉터영역과 상기 드레인영역은 연결되어 pn 접합 구조를 형성한다.In one embodiment, the collector region is located on the drain region, and the collector region and the drain region are connected to form a pn junction structure.

일실시예에서, 상기 반도체 기판 내에는 상기 반도체 기판 내로 함몰된 게이트 트렌치가 배치되고, 상기 게이트 구조는 상기 게이트 트렌치에 배치되며, 상기 게이트 구조는 게이트 유전체층 및 제어 게이트를 포함한다.In one embodiment, a gate trench recessed into the semiconductor substrate is disposed in the semiconductor substrate, the gate structure is disposed in the gate trench, and the gate structure includes a gate dielectric layer and a control gate.

일실시예에서, 상기 게이트 구조는 절연 유전체층; 및 상기 절연 유전체층을 통해 상기 제어 게이트 및 상기 드리프트영역과 격리되는 차폐 게이트를 더 포함한다.In one embodiment, the gate structure includes an insulating dielectric layer; And a shielding gate isolated from the control gate and the drift region through the insulating dielectric layer.

일실시예에서, 상기 반도체 전력 소자는 상기 바디영역 하방에 위치하는 제2 전도형의 주상 도핑영역을 더 포함하고, 상기 주상 도핑영역의 도핑 불순물과 상기 드리프트영역의 도핑 불순물은 전하균형을 형성한다.In one embodiment, the semiconductor power device further includes a second conductivity type columnar doped region positioned below the body region, and the doped impurities in the columnar doped region and the doped impurities in the drift region form a charge balance. .

본 발명에서 제공하는 반도체 전력 소자에 있어서, 반도체 기판에는 MOSFET 셀과 콜렉터영역이 형성되고, 콜렉터영역, 드리프트영역, 바디영역, 소스영역 및 게이트구조는 횡방향의 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)를 형성한다. 본 발명에서 제공하는 반도체 전력 소자가 온 될 경우, MOSFET 셀에 전자(또는 정공) 캐리어 전류가 형성되고, IGBT 구조에 전자 캐리어와 정공 캐리어의 이중 캐리어 전류가 형성되므로, 본 발명의 반도체 전력 소자가 전자 캐리어와 정공 캐리어의 이중 캐리어 전류를 실현할 수 있도록 하므로, 반도체 전력 소자의 출력 전류밀도를 대폭 향상시킬 수 있다.In the semiconductor power device provided by the present invention, a MOSFET cell and a collector region are formed on a semiconductor substrate, and the collector region, the drift region, the body region, the source region, and the gate structure are insulated gate bipolar transistors. , IGBT). When the semiconductor power device provided in the present invention is turned on, an electron (or hole) carrier current is formed in a MOSFET cell, and a double carrier current of an electron carrier and a hole carrier is formed in the IGBT structure, so that the semiconductor power device of the present invention Since the double carrier current of the electron carrier and the hole carrier can be realized, the output current density of the semiconductor power element can be significantly improved.

본 발명의 예시적인 실시예의 기술방안을 설명하기 위해, 아래에서 실시예를 서술하면서 사용되는 도면을 설명하도록 한다.
도 1은 관련기술의 트렌치형 MOS 트랜지스터의 일실시예의 단면 구조 개략도이다.
도 2는 일실시예에서 제공하는 반도체 전력 소자의 단면 구조 개략도이다.
도 3은 일실시예에서 제공하는 다른 반도체 전력 소자의 단면 구조 개략도이다.
도 4는 일실시예에서 제공하는 다른 반도체 전력 소자의 단면 구조 개략도이다.
도 5는 일실시예에서 제공하는 반도체 전력 소자의 평면 구조 개략도이다.
도 6은 일실시예에서 제공하는 반도체 전력 소자의 출력 전류 곡선 개략도이다.
도 7은 일실시예에서 제공하는 다른 반도체 전력 소자의 단면 구조 개략도이다.In order to describe the technical solutions of the exemplary embodiments of the present invention, the drawings used while describing the embodiments will be described below.
1 is a schematic cross-sectional structure of an embodiment of a trench MOS transistor of the related art.
2 is a schematic cross-sectional structure of a semiconductor power device provided in one embodiment.
3 is a schematic cross-sectional structure of another semiconductor power device provided in one embodiment.
4 is a schematic cross-sectional structure of another semiconductor power device provided in one embodiment.
5 is a schematic plan view of a semiconductor power device provided in one embodiment.
6 is a schematic diagram of an output current curve of a semiconductor power device provided in one embodiment.
7 is a schematic cross-sectional structure of another semiconductor power device provided in one embodiment.

아래에서, 본 실시예에서의 도면을 결합하여 구제적인 실시형태를 통해 본 발명의 기술방안을 서술하도록 한다.In the following, the technical solutions of the present invention will be described through a specific embodiment by combining the drawings in this embodiment.

본 실시예에서 사용되는 "구비하다" "함유하다" 및 "포함하다" 등 용어는 하나, 복수의 기타 요소 또는 그 조합의 존재거나 추가를 배제하지 않는다. 아울러, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기 위하여, 명세서 도면에 나열된 개략도에서 본 발명에 기술된 층과 영역의 두께를 확대하였으며, 명세서 도면은 개략적인 것으로서, 나열된 도형의 크기는 실제 사이즈를 나타내지 않는다. 명세서에 나열된 실시예는 명세서 도면에 도시된 영역의 특정 형태에만 한정되어서는 안되며, 얻어진 형태(제조로 의인한 편차 등)를 모두 포함한다.The terms "have", "include" and "include" as used in this embodiment do not exclude the presence or addition of one, a plurality of other elements or combinations thereof. In addition, in order to describe specific embodiments of the present invention, the thicknesses of the layers and regions described in the present invention are enlarged in the schematic drawings listed in the specification drawings, and the specification drawings are schematic, and the sizes of the figures listed do not represent actual sizes. . The embodiments listed in the specification should not be limited to only specific forms of the regions shown in the specification drawings, but include all of the obtained forms (such as deviations due to manufacturing).

본 발명은 출원일자가 2017년 12월 29일이고 출원번호가 201711481071.8인 중국 특허출원의 우선권, 출원일자가 2017년 12월 29일이고 출원번호가 201711489817.X인 중국 특허출원의 우선권, 출원일자가 2017년 12월 29일이고 출원번호가 201711489809.5인 중국 특허출원의 우선권, 및 출원일자가 2017년 12월 29일이고 출원번호가 201711481167.4인 중국 특허출원의 우선권을 주장하는바, 상기 출원의 전부 내용은 참조로서 본 발명에 포함된다.The present invention is the priority of the Chinese patent application with the application date of December 29, 2017 and the application number 201711481071.8, the priority of the Chinese patent application with the application date of December 29, 2017 and the application number of 201711489817.X, the application date of December 2017 Priority of Chinese patent application with application number 201711489809.5 on month 29, and priority of Chinese patent application with application date 201711481167.4 on December 29, 2017, all contents of the above application are hereby incorporated by reference Is included in.

도 2는 본 실시예에서 제공하는 반도체 전력 소자의 단면 구조 개략도이고, 소개와 설명의 편의를 위해, 도 2에서는 반도체 전력 소자 칩에서의 층간 절연층 및 접촉금속층에 대해 표시하지 않았다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 제공하는 반도체 전력 소자는 하나의 반도체 기판(100); 반도체 기판(100) 위에 형성되는 금속산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET) 영역(201)-여기서, MOSFET 영역(201)은 적어도 하나의 MOSFET 셀(예시적으로 하나의 MOSFET 셀(301)이 프레임(frame)되어 표시됨)을 포함해야 함-; 및 해당 반도체 기반(100)에 위치하는 적어도 하나의 콜렉터영역(10)-여기서, 콜렉터영역(10)과 MOSFET 셀은 절연 게이트 양극성 트랜지스터(예시적으로 하나의 IGBT 구조(302)가 프레임되어 표시됨)를 형성함-; 를 포함한다. 콜렉터영역(10)은 반도체 기판(100)의 상단부에 위치하기에, 콜렉터영역(10)은 쉽게 반도체 기판(100)의 상단부로부터 유도되어 콜렉터 전압과 연결될 수 있으므로, 관련기술의 반도체 전력 소자의 제조공정을 겸용할 수 있어, 콜렉터영역(10)의 제조가 편리해진다. 본 실시예에서 제공하는 반도체 전력 소자가 온 될 경우, MOSFET 셀에 전자(또는 정공(hole)) 캐리어 전류가 형성되고, IGBT 구조에 전자 캐리어와 정공 캐리어의 이중 캐리어 전류가 형성되며, 이로써, 본 실시예의 반도체 전력 소자가 전자 캐리어와 정공 캐리어의 이중 개리어 전류를 실현할 수 있도록 하므로, 반도체 전력 소자의 출력 전류밀도를 대폭 향상시킬 수 있다.2 is a schematic cross-sectional structure of a semiconductor power device provided in the present embodiment, and for convenience of introduction and description, FIG. 2 does not indicate the interlayer insulating layer and the contact metal layer in the semiconductor power device chip. 2, the semiconductor power device provided in this embodiment includes a semiconductor substrate 100; A metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) region 201 formed on the semiconductor substrate 100, wherein the MOSFET region 201 is at least one MOSFET cell (eg, one MOSFET cell) 301 must be displayed in a frame); And at least one collector region 10 located in the corresponding semiconductor base 100, wherein the collector region 10 and the MOSFET cell are insulated gate bipolar transistors (eg, one IGBT structure 302 is framed and displayed). To form-; It includes. Since the collector region 10 is located at the upper end of the semiconductor substrate 100, the collector region 10 can be easily derived from the upper end of the semiconductor substrate 100 and connected to the collector voltage, thereby manufacturing a semiconductor power device of the related art Since the process can be combined, the production of the collector region 10 becomes convenient. When the semiconductor power device provided in this embodiment is turned on, an electron (or hole) carrier current is formed in the MOSFET cell, and a double carrier current of the electron carrier and the hole carrier is formed in the IGBT structure, thereby, Since the semiconductor power device of the embodiment enables the dual carrier current of the electron carrier and the hole carrier to be realized, the output current density of the semiconductor power device can be significantly improved.

소개의 편의를 위해, 도 2에서는 단지 하나의 콜렉터영역(10) 구조가 예시적으로 도시되었다.For convenience of introduction, only one collector region 10 structure is illustrated in FIG. 2 by way of example.

일실시예에서, 도 2에 도시된 구조를 위에서 관찰하는 각도에서 보면, 콜렉터영역(10)은 MOSFET 영역(201)을 둘러쌀 수 있고, 또는 콜렉터영역(10)은 MOSFET 영역(201)의 일측 또는 양측에 위치할 수도 있으며, 본 실시예의 도면에서는 해당 평면 구조에 대해 더 소개하지 않는다.In one embodiment, when the structure shown in FIG. 2 is viewed from an angle viewed from above, the collector region 10 may surround the MOSFET region 201, or the collector region 10 may be one side of the MOSFET region 201 Or it may be located on both sides, the drawings of this embodiment will not be further introduced to the plane structure.

콜렉터영역(10)과 MOSFET 셀의 소스영역(23) 사이의 내전압을 향상하기 위하여, 콜렉터영역(10)과 MOSFET 영역(201) 사이의 간격을 적절하게 증가할 수 있고, 또는 콜렉터영역(10)과 MOSFET 영역(201) 사이에 분압 구조를 추가할 수 있으며, 해당 분압 구조는 필드플레이트(field plate), 필드 리미팅 링(field limiting ring) 또는 다결정 실리콘이 충진된 트렌치 구조일 수 있고, 여기서 필드플레이트, 필드 리미팅 링 및 다결정 실리콘이 충진된 트렌치의 개수는 실제 제품 요구에 따라 설정될 수 있다. 이러한 분압 구조는 반도체 전력 소자의 내전압을 향상시키는 상용 구조로서, 본 실시예에서는 더 설명하거나 소개하지 않는다.In order to improve the withstand voltage between the collector region 10 and the source region 23 of the MOSFET cell, the gap between the collector region 10 and the MOSFET region 201 can be appropriately increased, or the collector region 10 A partial pressure structure may be added between the MOSFET region 201 and the partial pressure structure may be a field plate, a field limiting ring, or a trench structure filled with polycrystalline silicon. , The number of trenches filled with the field limiting ring and the polycrystalline silicon can be set according to actual product requirements. Such a divided voltage structure is a commercial structure for improving the withstand voltage of a semiconductor power device, and is not described or introduced further in this embodiment.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 반도체 전력 소자에서의 MOSFET 셀은, 반도체 기판(100) 바닥부에 위치하는 제1 전도형의 드레인영역(20)-여기서, 드레인영역(20)은 반도체 기판(100)의 바닥부로부터 유도되어 드레인 전압과 연결됨-; 반도체 기판(100)에 위치하는 제1 전도형의 소스영역(23)과 제2 전도형의 바디영역(22)-여기서, 소스영역(23)과 바디영역(22)은 반도체 기판(100)의 상단부로부터 유도되어 소스 전압과 연결됨-; 반도체 기판(100)에서의 드레인영역(20)과 바디영역(22) 사이에 위치하는 제1 전도형의 드리프트영역(21); 바디영역(22) 내에 위치하되 소스영역(23)과 드리프트영역(21) 사이에 위치하는 전류채널; 및 상기 전류채널의 온/오프를 제어하는 게이트 구조-여기서, 상기 게이트 구조는 반도체 기판(100)에 위치하거나 반도체 기판(100) 위에 위치함-; 를 포함한다.As shown in FIG. 2, the MOSFET cell in the semiconductor power device of the present embodiment is a drain region 20 of a first conductivity type located at the bottom of the semiconductor substrate 100, where the drain region 20 is a semiconductor Derived from the bottom of the substrate 100 and connected to the drain voltage-; The source region 23 of the first conductivity type and the body region 22 of the second conductivity type positioned on the semiconductor substrate 100-where the source region 23 and the body region 22 are of the semiconductor substrate 100 Derived from the top and connected to the source voltage-; A first conductive type drift region 21 positioned between the drain region 20 and the body region 22 in the semiconductor substrate 100; A current channel located in the body region 22 but between the source region 23 and the drift region 21; And a gate structure for controlling on / off of the current channel, wherein the gate structure is located on or over the semiconductor substrate 100; It includes.

전류채널은, 반도체 전력 소자에서 게이트 구조에 게이트 전압을 가할 때 반도체 표면에 형성되는 축적층과 반전층이며, 본 실시예의 도면에서 반도체 전력 소자 중의 전류채널 구조는 도시되지 않았다.The current channel is an accumulation layer and an inversion layer formed on the semiconductor surface when a gate voltage is applied to the gate structure in the semiconductor power device, and the current channel structure in the semiconductor power device is not illustrated in the drawings of this embodiment.

본 실시예에서 제공하는 반도체 전력 소자에서의 게이트 구조는 평면형 게이트(planar gate) 구조일 수 있고, 또는 트렌치형 게이트 구조일 수도 있으며, 게이트 구조가 평면형 게이트 구조인 경우, 게이트 구조는 반도체 기판(100) 위에 위치하고, 게이트 구조가 트렌치형 게이트 구조인 경우, 게이트 구조는 반도체 기판(100) 내로 함몰된 게이트 트렌치에 위치한다. 도 2에 도시된 반도체 전력 소자의 실시예에서, 게이트 구조는 아래와 같은 트렌치형 게이트 구조를 사용한다: 반도체 기판(100) 내에는 반도체 기판 내로 함몰된 게이트 트렌치가 배치되고, 게이트 구조는 해당 게이트 트렌치에 배치되며, 여기서 게이트 구조는 게이트 유전체층(24)과 제어 게이트(25)를 포함하고, 제어 게이트(25)는 게이트 전압과 외부 연결됨으로써 소스영역(23)과 드리프트영역(21) 사이에 위치한 전류채널의 온/오프를 제어한다.The gate structure in the semiconductor power device provided in this embodiment may be a planar gate structure, or may be a trench-type gate structure, and when the gate structure is a planar gate structure, the gate structure is a semiconductor substrate 100 ), And when the gate structure is a trench-type gate structure, the gate structure is located in the gate trench recessed into the semiconductor substrate 100. In the embodiment of the semiconductor power device shown in FIG. 2, the gate structure uses the following trench-type gate structure: a gate trench recessed into the semiconductor substrate is disposed in the semiconductor substrate 100, and the gate structure is a corresponding gate trench. , Wherein the gate structure includes a gate dielectric layer 24 and a control gate 25, and the control gate 25 is externally connected to the gate voltage to be located between the source region 23 and the drift region 21. Controls channel on / off.

본 실시예에서, 상술한 제1 전도형은 n형이고 제2 전도형은 p형이다. 콜렉터영역(10)은 제2 전도형을 구비하여야 하며, 이로써, 콜렉터영역(10), 드리프트영역(21), 바디영역(22) 및 소스영역(23) 사이는 p-n-p-n 구조를 형성하여, 해당 p-n-p-n 구조와 게이트 구조는 횡방향의 절연 게이트 양극성 트랜지스터를 형성한다.In this embodiment, the first conductivity type described above is n-type and the second conductivity type is p-type. The collector region 10 must have a second conductivity type, thereby forming a pnpn structure between the collector region 10, the drift region 21, the body region 22, and the source region 23, thereby corresponding pnpn The structure and gate structure form an insulated gate bipolar transistor in the transverse direction.

일실시예에서, 제1 전도형은 p형일 수 있고 제2 전도형은 n형일 수 있다.In one embodiment, the first conductivity type may be p-type and the second conductivity type may be n-type.

도 3은 본 실시예에서 제공하는 다른 반도체 전력 소자의 단면 구조 개략도이고, 해당 실시예에서는 도 2에 도시된 반도체 전력 소자에서의 층간 절연층과 접촉금속층을 소개하였다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 반도체 전력 소자의 콜렉터영역(10)은 콜렉터 접촉금속층(42)을 통해 반도체 기판(100)의 상단부로부터 유도되어 콜렉터 전압과 연결되고; 소스영역(23)과 바디영역(22)은 소스 접촉금속층(41)을 통해 반도체 기판(100)의 상단부로부터 유도되어 소스 전압과 연결되며, 드레인영역(20)은 드레인 접촉금속층(43)을 통해 반도체 기판(100)의 바닥부로부터 유도되어 드레인 전압과 연결된다. 층간 절연층(40)은 인접한 접촉금속층 사이를 격리하고, 층간 절연층(40)은 일반적으로 실리콘 글라스, 보로포스포실리케이트 글라스(borophosphosilicate glass) 및 포스포실리케이트 글라스(phosphorosilicate glass) 등 재료이다.3 is a schematic cross-sectional structure of another semiconductor power device provided in this embodiment, and in this embodiment, an interlayer insulating layer and a contact metal layer in the semiconductor power device shown in FIG. 2 are introduced. 3, the collector region 10 of the semiconductor power device of this embodiment is derived from the upper end of the semiconductor substrate 100 through the collector contact metal layer 42 and connected to the collector voltage; The source region 23 and the body region 22 are derived from the upper end of the semiconductor substrate 100 through the source contact metal layer 41 and connected to the source voltage, and the drain region 20 is through the drain contact metal layer 43 It is derived from the bottom of the semiconductor substrate 100 and is connected to the drain voltage. The interlayer insulating layer 40 isolates between adjacent contact metal layers, and the interlayer insulating layer 40 is generally a material such as silicon glass, borophosphosilicate glass, and phosphorosilicate glass.

도 3에 도시된 반도체 전력 소자의 실시예에서, 바디영역(22)과 콜렉터영역(10) 내에는 각각 하나의 접촉홈이 형성되어 접촉금속층이 상기 접촉홈에 형성되도록 함으로써, 접촉저항을 감소시킨다. 일실시예에서, 콜렉터영역(10) 내와 바디영역(22) 내에 각각 하나의 높은 도핑 농도의 접촉영역이 형성됨으로써 접촉저항을 감소시킬 수도 있으며, 본 실시예의 도면에서는 해당 접촉 구조에 대해 더 나타내지 않는다.In the embodiment of the semiconductor power device shown in FIG. 3, one contact groove is formed in the body region 22 and the collector region 10, so that a contact metal layer is formed in the contact groove, thereby reducing contact resistance. . In one embodiment, the contact resistance may be reduced by forming a contact region having a high doping concentration in each of the collector region 10 and the body region 22, and the contact structure is not further illustrated in the drawings of this embodiment. Does not.

본 실시예의 반도체 전력 소자에 있서서, 콜렉터영역(10)과 드레인영역(20)을 전기적으로 연결시킬 수 있으며, 즉, 콜렉터 접촉금속층(42)과 드레인 접촉금속층(43)은 외부 연결 방식을 통해 전기적 쇼트를 실현하는데, 이는 반도체 전력 소자를 소스, 드레인, 게이트, 콜렉터로 구성된 4 단자 소자로 설계한 후, 콜렉터와 드레인을 외부 회로에서 전기적 쇼트를 실현하는 것을 포함하며; 또는 콜렉터 접촉금속층(42)과 드레인 접촉금속층(43)을 외부 연결을 통해 전기적 쇼트를 실현한 후 패키징을 진행함으로써, 본 실시예의 반도체 전력 소자를 소스, 드레인, 게이트로 구성된 3 단자 소자로 설계한다. 콜렉터영역(10)과 드레인영역(20)이 전기적으로 연결될 경우, 드레인영역(20)에 가해진 드레인 전압과 콜렉트영역(10)에 가해진 콜렉터 전압은 동일한 전압이다.In the semiconductor power device of this embodiment, the collector region 10 and the drain region 20 may be electrically connected, that is, the collector contact metal layer 42 and the drain contact metal layer 43 may be externally connected. Realizing an electrical short, which includes designing a semiconductor power element as a four-terminal element composed of a source, drain, gate, and collector, and then realizing the electrical short in the collector and drain in an external circuit; Alternatively, the electrical contact of the collector contact metal layer 42 and the drain contact metal layer 43 is realized through external connection, and then packaging is performed, so that the semiconductor power device of this embodiment is designed as a three-terminal device composed of a source, a drain, and a gate. . When the collector region 10 and the drain region 20 are electrically connected, the drain voltage applied to the drain region 20 and the collector voltage applied to the collector region 10 are the same voltage.

도 4는 본 실시예에서 제공하는 다른 반도체 전력 소자의 단면 구조 개략도이고, 도 4에 도시된 반도체 전력 소자는 도 2에 도시된 반도체 전력 소자의 기초상, MOSFET 셀이 스플릿 게이트(split gate) 구조의 게이트 구조를 사용하는 하나의 실시예이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 제공하는 반도체 전력 소자에서 게이트 트렌치 내에 형성된 게이트 구조는 게이트 유전체층(34), 제어 게이트(35), 절연 유전체층(36) 및 차폐 게이트(37)를 포함한다.4 is a schematic cross-sectional structure of another semiconductor power device provided in this embodiment, and the semiconductor power device shown in FIG. 4 is based on the semiconductor power device shown in FIG. 2, and a MOSFET cell has a split gate structure. It is one embodiment to use the gate structure. 4, the gate structure formed in the gate trench in the semiconductor power device provided in this embodiment includes a gate dielectric layer 34, a control gate 35, an insulating dielectric layer 36 and a shielding gate 37 do.

제어 게이트(35)는 게이트 트렌치의 상부 양측에 배치되고, 차폐 게이트(37)는 절연 유전체층(36)을 통해 제어 게이트(35) 및 드리프트영역(21)과 격리된다.The control gate 35 is disposed on both sides of the upper portion of the gate trench, and the shielding gate 37 is isolated from the control gate 35 and the drift region 21 through the insulating dielectric layer 36.

제어 게이트(35)는 게이트 전압과 외부 연결됨으로써, 바디영역(22) 내에 위치하되 소스영역(23)과 드리프트영역(21) 사이에 위치하는 전류채널의 온/오프를 제어한다.The control gate 35 is externally connected to the gate voltage to control the on / off of the current channel located in the body region 22 but between the source region 23 and the drift region 21.

차폐 게이트(37)는 소스영역(23)과 전기적으로 연결되어 소스 전압과 연결될 수 있으며, 이로써, 차폐 게이트(37)는 소스 전압을 통해 드리프트영역(21) 내에서 횡전계(transverse electric field)를 형성하여, 온 저항을 감소시키고 내전압을 향상시키는 작용을 한다.The shielding gate 37 may be electrically connected to the source region 23 to be connected to the source voltage. Thus, the shielding gate 37 may transmit a transverse electric field in the drift region 21 through the source voltage. By forming, it serves to reduce the on-resistance and improve the withstand voltage.

도 5는 본 실시예에서 제공하는 반도체 전력 소자의 평면 구조 개략도이고, 해당 실시예의 도면에는 본 실시예의 반도체 전력 소자에서의 콜렉터영역과 MOSFET 영역 사이의 분압 구조가 예시적으로 도시되었으며, 도 5에는 단지 다결정 실리콘이 충진된 3 개의 분압 트렌치(602)가 도시되었고, 분압 트렌치(602)는 게이트 트렌치(601)와 콜렉터영역(도 5에 도시되지 않음) 사이에 위치하며, 콜렉터영역은 콜렉터 접촉금속층(702)을 통해 콜렉터 전압과 연결되고, 소스 접촉금속층(701)은 소스영역(도 5에 도시되지 않음) 및 바디영역(도 5에 도시되지 않음)을 유도하여 소스 전압과 연결시킨다. 본 실시예의 반도체 전력 소자에서의 분압 구조는 또한 필드플레이트 또는 필드 리미트 링일 수 있으며, 본 실시예에서는 더 소개하지 않는다. 일실시예에서, 게이트 트렌치(601)와 분압 트렌치(602)는 동일한 트렌치 구조로서, 동일한 단계의 제조공정에서 형성될 수 있고, 도 5에서는 동일한 충진방식으로 게이트 트렌치(601) 및 분압 트렌치(602)를 표시하였으며; 마친가지로, 도 5에서는 동일한 충진방식으로 소스 접촉금속층(701)과 콜렉터 접촉금속층(702)을 표시하였다.5 is a schematic diagram of a planar structure of a semiconductor power device provided in this embodiment, and in the drawing of the embodiment, a partial voltage structure between a collector area and a MOSFET area in the semiconductor power device of this embodiment is exemplarily illustrated, and FIG. 5 shows Only three partial pressure trenches 602 filled with polycrystalline silicon are shown, and the partial pressure trench 602 is located between the gate trench 601 and the collector region (not shown in FIG. 5), and the collector region is a collector contact metal layer It is connected to the collector voltage through 702, and the source contact metal layer 701 induces a source region (not shown in FIG. 5) and a body region (not shown in FIG. 5) to connect to the source voltage. The voltage divider structure in the semiconductor power device of this embodiment may also be a field plate or a field limit ring, which is not further introduced in this embodiment. In one embodiment, the gate trench 601 and the partial pressure trench 602 have the same trench structure, and may be formed in the same step of the manufacturing process, and in FIG. 5, the gate trench 601 and the partial pressure trench 602 in the same filling method ); Similarly, in FIG. 5, the source contact metal layer 701 and the collector contact metal layer 702 are shown in the same filling method.

도 6은 본 실시예에서 제공하는 도 3에 도시된 바와 같은 반도체 전력 소자의 출력전류 곡선 개략도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 반도체 전력 소자의 콜렉터영역(10)과 드레인영역(20)은 외부 연결 방식을 통해 전기적 쇼트를 실현하고, 이로써, 콜렉터영역(10)과 드레인영역(20)이 동시에 드레인 전압과 연결되도록 하며, 드레인 전압이 0.9V 좌우인 경우, IGBT 구조가 작동하기 시작하고 반도체 전력 소자의 내부로 정공이 주입되어, 반도체 전력 소자 바닥부의 드레인 전류가 현저히 증가된다.6 is a schematic diagram of an output current curve of a semiconductor power device as shown in FIG. 3 provided in this embodiment. As shown in FIG. 6, the collector region 10 and the drain region 20 of the semiconductor power device of this embodiment realize an electric short circuit through an external connection method, whereby the collector region 10 and the drain region 20 ) To be connected to the drain voltage at the same time, when the drain voltage is 0.9V left and right, the IGBT structure starts to operate and holes are injected into the semiconductor power device, so that the drain current at the bottom of the semiconductor power device is significantly increased.

도 7은 본 실시예에서 제공하는 다른 반도체 전력 소자의 단면 구조 개략도이고, 도 7에 도시된 반도체 전력 소자와 도 3에 도시된 반도체 전력 소자의 구별점은 아래와 같다: 콜렉터영역(10)은 반도체 기판(100)에 위치하되 드레인영역(20) 위에 위치하고, 콜렉터영역(10)과 드레인영역(20)이 연결되어 pn 접합 구조를 형성하며, 해당 pn 접합 구조는 고농도 도핑된 p형 도핑 및 고농도 도핑된 n형 도핑으로 형성된다. 따라서, 해당 pn 접합 구조 내에는 비교적 큰 터널링 전류(tunneling current)가 발생하게 되어, 콜렉터영역(10)과 드레인영역(20)은 전기적으로 쇼트에 가깝게 되며, 이때, 콜렉터영역(10)은 단독으로 유도되어 콜렉터 전압과 연결될 필요가 없으며, 드레인영역(20)에 적합한 드레인 전압을 가할 경우, pn 접합 구조에 터널링이 발생하며, 이는 콜렉터영역(10)에 콜렉터 전압을 가한 것에 해당된다.7 is a schematic cross-sectional structure of another semiconductor power device provided in the present embodiment, and the difference between the semiconductor power device shown in FIG. 7 and the semiconductor power device shown in FIG. 3 is as follows: The collector region 10 is a semiconductor Located on the substrate 100 but located on the drain region 20, the collector region 10 and the drain region 20 are connected to form a pn junction structure, and the pn junction structure is a high concentration doped p-type doping and a high concentration doping. N-type doping. Therefore, a relatively large tunneling current is generated in the corresponding pn junction structure, and the collector region 10 and the drain region 20 are electrically close to the short, and at this time, the collector region 10 is alone. It is not necessary to be induced and connected to the collector voltage, and when a drain voltage suitable for the drain region 20 is applied, tunneling occurs in the pn junction structure, which corresponds to applying the collector voltage to the collector region 10.

콜렉터영역(10)과 드레인영역(20)이 연결되어 pn 접합 구조를 형성할 경우, 콜렉터영역(10)은 반도체 기판(100)에 위치하는 제2 전도형의 도핑영역일 수 있고, 또는 반도체 기판(100)에 형성된 제2 전도형의 다결정 전도성 필라(conductive pillar)일 수도 있으며, 도 7에서는 콜렉터영역(10)이 반도체 기판(100)에 형성된 제2 전도형의 다결정 전도성 필라인 것을 예로 들어 설명한다.When the collector region 10 and the drain region 20 are connected to form a pn junction structure, the collector region 10 may be a doped region of a second conductivity type positioned on the semiconductor substrate 100, or a semiconductor substrate It may also be a second conductivity type polycrystalline conductive pillar formed in (100). In FIG. 7, the collector region 10 is described as an example of a second conductivity type polycrystalline conductive pillar formed in the semiconductor substrate 100. do.

일실시예에서, 본 실시예의 반도체 전력 소자의 MOSFET 셀에서, 바디영역의 하방에는 제2 전도형의 주상 도핑영역이 더 형성될 수 있으며, 해당 주상 도핑영역의 도핑 불순물과 드리프트영역의 도핑 불순물은 전하균형을 형성하여, 본 실시예의 반도체 전력 소자의 MOSFET 셀이 초접합 구조를 사용하는 MOSFET 구조가 되도록 하고, 초접합 구조의 반도체 전력 소자는 관련기술에서 상용되는 구조로서, 본 실시예에서 더 소개하거나 설명하지 않는다.In one embodiment, in the MOSFET cell of the semiconductor power device of the present embodiment, a second conductivity type columnar doping region may be further formed below the body region, and doping impurities in the columnar doping region and doping impurities in the drift region may be By forming a charge balance, the MOSFET cell of the semiconductor power device of the present embodiment is a MOSFET structure using a superjunction structure, and the semiconductor power device of the superjunction structure is a structure commonly used in the related art, which is further introduced in this embodiment Or do not explain.

Claims (10)

반도체 기판;
상기 반도체 기판 위에 형성되는 금속산화물 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET) 영역; 및
상기 반도체 기판에 위치하는 적어도 하나의 제2 전도형의 콜렉터영역; 을 포함하고,
여기서, 상기 MOSFET 영역은 적어도 하나의 MOSFET 셀을 포함하고, 상기 MOSFET 셀은, 상기 반도체 기판의 바닥부에 위치하는 제1 전도형의 드레인영역-여기서, 상기 드레인영역은 상기 반도체 기판의 바닥부로부터 유도되어 드레인 전압과 연결됨-; 상기 반도체 기판에 위치하는 제1 전도형의 소스영역과 제2 전도형의 바디영역-여기서, 상기 소스영역과 상기 바디영역은 상기 반도체 기판의 상단부로부터 유도되어 소스 전압과 연결됨-; 상기 반도체 기판에 위치하되 상기 드레인영역과 상기 바디영역 사이에 위치하는 제1 전도형의 드리프트영역; 상기 바디영역 내에 위치하되 상기 소스영역과 상기 드리프트영역 사이에 위치하는 전류채널; 및 상기 전류채널의 온/오프를 제어하는 게이트 구조; 를 포함하며,
상기 콜렉터영역은 상기 드리프트영역 위에 위치하고, 상기 콜렉터영역과 상기 드리프트영역이 연결되어 pn 접합 구조를 형성하며, 상기 콜렉터영역과 상기 MOSFET 셀은 절연 게이트 양극성 트랜지스터를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 전력 소자.
Semiconductor substrates;
A metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) region formed on the semiconductor substrate; And
At least one second conductivity type collector region positioned on the semiconductor substrate; Including,
Here, the MOSFET region includes at least one MOSFET cell, and the MOSFET cell is a drain region of a first conductivity type located at the bottom of the semiconductor substrate, wherein the drain region is from the bottom of the semiconductor substrate. Induced and connected to the drain voltage-; A source region of a first conductivity type and a body region of a second conductivity type located on the semiconductor substrate, wherein the source region and the body region are derived from an upper end of the semiconductor substrate and connected to a source voltage; A first conductive type drift region located on the semiconductor substrate but between the drain region and the body region; A current channel located in the body region but between the source region and the drift region; And a gate structure that controls on / off of the current channel. It includes,
The collector region is located on the drift region, and the collector region and the drift region are connected to form a pn junction structure, and the collector region and the MOSFET cell form an insulated gate bipolar transistor.
제 1 항에 있어서,
상기 콜렉터영역은 상기 MOSFET 영역을 둘러싸거나, 상기 콜렉터영역은 상기 MOSFET 영역의 일측 또는 양측에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 전력 소자.
The method of claim 1,
The collector region surrounds the MOSFET region, or the collector region is located on one side or both sides of the MOSFET region.
제 1 항에 있어서,
상기 콜렉터영역과 상기 MOSFET 영역 사이에는 분압 구조가 배치되고, 상기 분압 구조는 필드플레이트, 필드 리미트 링 및 다결정 실리콘이 충진된 트렌치 구조 중의 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 전력 소자.
The method of claim 1,
A semiconductor power device, characterized in that a voltage divider structure is disposed between the collector region and the MOSFET region, and the voltage divider structure is one of a trench structure filled with a field plate, a field limit ring, and polycrystalline silicon.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 전도형은 n형이고 상기 제2 전도형은 p형이며, 상기 콜렉터영역, 상기 드리프트영역, 상기 바디영역 및 상기 소스영역 사이는 p-n-p-n 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 전력 소자.
The method of claim 1,
Wherein the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type, and a pnpn structure is formed between the collector region, the drift region, the body region, and the source region.
제 1 항에 있어서,
상기 반도체 기판 내에는 상기 반도체 기판 내로 함몰된 게이트 트렌치가 배치되고, 상기 게이트 구조는 상기 게이트 트렌치에 배치되며, 상기 게이트 구조는 게이트 유전체층 및 제어 게이트를 포함하는 반도체 전력 소자.
The method of claim 1,
A semiconductor trench device in which a gate trench recessed into the semiconductor substrate is disposed in the semiconductor substrate, the gate structure is disposed in the gate trench, and the gate structure includes a gate dielectric layer and a control gate.
제 5 항에 있어서,
상기 게이트 구조는 절연 유전체층; 및 상기 절연 유전체층을 통해 상기 제어 게이트 및 상기 드리프트영역과 격리되는 차폐 게이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 전력 소자
The method of claim 5,
The gate structure includes an insulating dielectric layer; And a shielding gate isolated from the control gate and the drift region through the insulating dielectric layer.
제 6 항에 있어서,
상기 제어 게이트는 상기 게이트 트렌치의 상부 양측에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 전력 소자.
The method of claim 6,
The control gate is located on both sides of the upper portion of the gate trench semiconductor power device.
제 6 항에 있어서,
상기 차폐 게이트와 상기 소스영역은 전기적으로 연결되어 소스 전압과 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 전력 소자.
The method of claim 6,
The shielding gate and the source region are electrically connected to the semiconductor power device, characterized in that connected to the source voltage.
제 1 항에 있어서,
상기 드레인영역에 드레인 전압을 가할 경우, 상기 콜렉터영역과 상기 드레인영역으로 형성된 pn 접합 구조에 터널링이 발생하는 것을 특징으로 하는 반도체 전력 소자.
The method of claim 1,
When a drain voltage is applied to the drain region, tunneling occurs in a pn junction structure formed of the collector region and the drain region.
제 1 항에 있어서,
상기 바디영역 하방에 위치하는 제2 전도형의 주상 도핑영역을 더 포함하고, 상기 주상 도핑영역의 도핑 불순물과 상기 드리프트영역의 도핑 불순물이 전하균형을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 전력 소자.The method of claim 1,
A semiconductor power device further comprising a second doped columnar doped region located below the body region, wherein doped impurities in the columnar doped region and doped impurities in the drift region form a charge balance.
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